La spettroscopia laser ultraveloce consente di osservare il movimento degli atomi nelle loro scale temporali naturali nell'intervallo dei femtosecondi, il milionesimo di miliardesimo di secondo. Microscopio elettronico, d'altra parte, fornisce una risoluzione spaziale atomica. Combinando elettroni e fotoni in un unico strumento, il gruppo del professor Peter Baum dell'Università di Costanza ha sviluppato alcuni dei microscopi elettronici più veloci per ottenere informazioni dettagliate sui materiali e sulle loro dinamiche alle risoluzioni massime sia nello spazio che nel tempo.

Nella loro recente pubblicazione in ACS Nano , gli scienziati del laboratorio Baum hanno applicato questa tecnica insieme ai colleghi dell'ETH di Zurigo per studiare nuovi materiali, fogli definiti molecolarmente bidimensionali chiamati MXenes, e hanno fatto una scoperta sorprendente. Utilizzando impulsi laser, I MXene possono essere commutati ripetutamente tra una forma piatta e una increspata, aprendo un ampio spettro di possibili applicazioni.

MXenes:nuovi materiali bidimensionali

I MXene sono fogli bidimensionali di carburi o nitruri di metalli di transizione sotto forma di strati singoli dello spessore di pochi atomi. "I MXeni sono paragonabili a una molecola in una dimensione spaziale e a un solido esteso nelle altre due, "Dottor Mikhail Volkov, primo autore del recente studio, descrive la struttura di MXenes. Gli MXeni vengono sintetizzati "staccando" i sottili strati di materiale da un materiale precursore, un processo chiamato esfoliazione.

A differenza della maggior parte degli altri materiali a strato singolo, Gli MXene possono essere facilmente prodotti in grandi quantità, grazie alla scoperta di un metodo di esfoliazione chimica scalabile e irreversibile. Le proprietà chimiche e fisiche degli MXenes possono essere ampiamente modificate dalla scelta del metallo di transizione, portando ad applicazioni diffuse di MXenes nel rilevamento, stoccaggio di energia, raccolta leggera, e azione antibatterica.

Nano-onde in MXene formate da luce veloce

Nel loro studio, i principali ricercatori, il dott. Mikhail Volkov dell'Università di Costanza e la dott.ssa Elena Willinger dell'ETH di Zurigo, hanno trovato un nuovo modo per migliorare le proprietà degli MXenes illuminandoli con impulsi di luce veloci. Utilizzando la microscopia elettronica ultraveloce con risoluzione spaziale atomica, hanno registrato un filmato di MXenes che interagiscono con impulsi laser a femtosecondi, mostrando che l'energia laser si trasferisce al reticolo atomico in un tempo record di soli 230 femtosecondi.

inaspettatamente, gli scienziati hanno anche scoperto che la luce laser a femtosecondi può essere utilizzata per passare avanti e indietro tra la struttura superficiale originariamente piatta del MXene e una forma a nanoonda del materiale, un "nano-paesaggio" collinare e a valle con una periodicità che è più di cinquanta volte più fine della lunghezza d'onda del laser. "Possiamo controllare l'orientamento della nanoonda con la polarizzazione del laser, il che significa che il materiale ha una memoria ottica su scala nanometrica.

Inoltre, se il laser colpisce ancora, il MXene a nano onde si trasforma di nuovo in un piano e rimane piatto durante l'illuminazione. Anche le dimensioni estremamente ridotte delle nano-onde e la rapida reazione del reticolo sono piuttosto sorprendenti, ed è probabile che sia coinvolto un fenomeno chiamato accoppiamento plasmone-fonone, " spiega Volkov.

Nano-onde che migliorano le prestazioni del materiale

"La nanostrutturazione sotto forma di onde aumenta anche il rapporto superficie-volume dei materiali, rendendoli chimicamente più reattivi. Inoltre, esalta i campi elettromagnetici locali, migliorare l'accoppiamento con la luce, una proprietà preziosa per le applicazioni di rilevamento, " afferma Volkov. Gli scienziati si aspettano quindi che i MXene a nanoonda scoperti mostrino una migliore capacità di accumulo di energia e una maggiore attività catalitica o antibiotica. "Infine, la possibilità di commutare la struttura di MXenes tra piano e ondulato 'su richiesta' tramite un impulso laser apre intriganti modi per utilizzare i materiali in plasmonico attivo, dispositivi chimici ed elettrici, "Conclude Volkov.